Neue Methoden der 2D-Spektroskopie

Neues aus der Forschung

Meldung vom 29.06.2018

Mit optischer Spektroskopie können Energiestruktur und dynamische Eigenschaften komplexer Quantensysteme untersucht werden. Forscher der Universität Würzburg zeigen zwei neue Ansätze der kohärenten zweidimensionalen Spektroskopie.


180702-2142_medium.jpg
 
Laserpuls-Sequenzen führen zu 2D-Spektren: Bei der EEI2D-Spektroskopie treffen sich zwei separierte Anregungen; bei der 2D-Massenspektrometrie werden ionische Photoprodukte detektiert.
Jakub Dostál, Franziska Fennel, Federico Koch, Stefanie Herbst, Frank Würthner, Tobias Brixner
Direct observation of exciton–exciton interactions
Nature Communications, 25. Juni 2018
DOI: 10.1038/s41467-018-04884-4


„Rege das System an und beobachte, wie es sich entwickelt“, lautet das allgemeine Credo der optischen Spektroskopie, wie der Physiker Professor Tobias Brixner erläutert. Die in der Literatur bekannten Methoden sind vielfältig, allerdings wird prinzipiell immer nur das Verhalten einer einzelnen Anregung und deren Folgen untersucht.

Nun haben Physiker und Chemiker der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) zwei neuartige Prinzipien der optischen Spektroskopie in der Zeitschrift Nature Communications vorgestellt. Beide Ansätze zeigen neue Entwicklungen der sogenannten kohärenten zweidimensionalen (2D) Spektroskopie. Bei der konventionellen 2D-Spektroskopie regt man ein System bei einer bestimmten Frequenz an und beobachtet, was bei einer anderen passiert.

„Anstatt mit einer Anregung zu beginnen und ihre Dynamik zu analysieren, setzen wir hier zwei Anregungen in das gleiche System und beobachten, wie sie zusammenwirken“ sagt Brixner, Inhaber des Lehrstuhls für Physikalische Chemie I und Leiter dieser Forschung an der JMU. So habe man direkten Zugang zu Energietransportphänomenen, da bei der neuen Methode nur dann Signale entstehen, wenn sich zwei zunächst getrennte Anregungen bewegen und dann aufeinander treffen.

Die Idee der „Exciton-Exciton-Interaction-Two-Dimensional-(EEI2D)-Spektroscopy“ veranschaulichten die Forscher an einem J-Aggregat auf Perylenbisimid-Basis. „J-Aggregate gehören zu den wichtigsten funktionellen supramolekularen Strukturen. Perylenbisimidfarbstoffe bilden besonders gut J-Aggregate, sodass diese Farbstofffamilie für solche Experimente am besten geeignet ist“, erklärt Professor Frank Würthner, Inhaber des Lehrstuhls für Organische Chemie II und Kooperationspartner in dieser Studie.

Anwendbar ist diese Methode auf zahlreiche physikalische, chemische, biologische oder materialwissenschaftlich relevante Systeme, um beispielsweise dynamische Eigenschaften wie Energietransport von natürlichen Lichtsammelsystemen und synthetischen Farbstoffaggregaten zu entschlüsseln.

Ionisation mit dem 2D-Schema untersuchen

In ihrer weiteren Forschung haben die Physiker um Tobias Brixner kohärente 2D-Spektroskopie mit Molekularstrahlen kombiniert. „So ist es erstmals möglich, Ionisation mit dem 2D-Schema zu untersuchen“, erklärt der Professor der JMU. Dafür verwendeten sie Massenspektrometrie anstatt optischer Detektion und erhielten 2D-Spektren nicht nur für das Ausgangsmolekül, sondern zeitgleich auch für die Photoprodukte.

„Unsere größte Herausforderung war die Tatsache, dass die Teilchendichten in Molekularstrahlen sehr niedrig sind“, erklärt Brixner, „sodass konventionelle Versuche, kohärent emittiertes Licht zu detektieren, vergeblich sind.“ Stattdessen haben die Forscher das durch die Sequenz der Anregungsimpulse erzeugte Ion beobachtet und damit zwei bislang völlig separate Forschungsgebiete, optische 2D-Spektroskopie und Massenspektrometrie, zusammengeführt.

Die Methode wendeten die Physiker exemplarisch an, um die Ionisierungspfade von 3d-Rydberg-Zuständen in Stickstoffdioxid zu identifizieren. In der Zukunft soll diese Entwicklung eingesetzt werden, um den Einfluss der Umgebung auf die kohärente Dynamik in größeren Molekülen zu studieren.

Beide neuen Ansätze wurden im Rahmen der Forschungsvorhaben „Solar Technologies Go Hybrid“, der DFG-Forschergruppe 1809 und des ERC-Projekts „MULTISCOPE“ entwickelt.


Diese Newsmeldung wurde erstellt mit Materialien von idw


News der letzten 2 Wochen


Meldung vom 17.01.2019

Wie Moleküle im Laserfeld wippen

Wenn Moleküle mit dem oszillierenden Feld eines Lasers wechselwirken, wird ein unmittelbarer, zeitabhängiger ...

Meldung vom 16.01.2019

Fliegende optische Katzen für die Quantenkommunikation

Gleichzeitig tot und lebendig? Max-Planck-Forscher realisieren im Labor Erwin Schrödingers paradoxes Gedanken ...

Meldung vom 15.01.2019

Kieler Physiker entdecken neuen Effekt bei der Wechselwirkung von Plasmen mit Festkörpern

Plasmen finden sich im Inneren von Sternen, werden aber auch in speziellen Anlagen im Labor künstlich erzeugt ...

Meldung vom 14.01.2019

Vermessung von fünf Weltraum-Blitzen

Ein am PSI entwickelter Detektor namens POLAR hat vom Weltall aus Daten gesammelt. Im September 2016 war das G ...

Meldung vom 14.01.2019

Mit Satelliten den Eisverlust von Gletschern messen

Geographen der FAU untersuchen Gletscher Südamerikas so genau wie nie zuvor.

Meldung vom 14.01.2019

5000 mal schneller als ein Computer

Ein atomarer Gleichrichter für Licht erzeugt einen gerichteten elektrischen Strom. Wenn Licht in einem Halble ...

Meldung vom 14.01.2019

Isolatoren mit leitenden Rändern verstehen

Isolatoren, die an ihren Rändern leitfähig sind, versprechen interessante technische Anwendungen. Doch bishe ...

Meldung vom 10.01.2019

Ionenstrahlzerstäuben - Abscheidung dünner Schichten mit maßgeschneiderten Eigenschaften

Dünne Schichten mit Schichtdicken im Bereich weniger Nanometer spielen eine zentrale Rolle in vielen technolo ...

Meldung vom 10.01.2019

Wie Gletscher gleiten

Der Jülicher Physiker Bo Persson hat eine Theorie zum Gleiten von Gletschereis auf felsigem Boden vorgestellt ...

Meldung vom 08.01.2019

Neue Einblicke in die Sternenkinderstube im Orionnebel

Team unter Kölner Beteiligung zeigt: Winde eines jungen Sternes verhindern die Bildung neuer Sterne in der Na ...

Meldung vom 08.01.2019

Dissonanzen in der Quantenschwingung

Neuartige Quanteninterferenz in atomar dünnen Halbleitern entdeckt.

Meldung vom 07.01.2019

Photovoltaik-Trend Tandemsolarzellen: Wirkungsgradrekord für Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis

Siliciumsolarzellen dominieren heute den Photovoltaikmarkt aber die Technologie nähert sich dem theoretisch m ...

Meldung vom 07.01.2019

Forscher erzeugen Hybridsystem mit verschiedenen Quantenbit-Arten

Einem japanisch-deutschen Forschungsteam ist es erstmals gelungen, Informationen zwischen verschiedenen Arten ...

Meldung vom 21.12.2018

Mit Quanten-Tricks die Rätsel topologischer Materialien lösen

„Topologische Materialen“ sind technisch hochinteressant, aber schwer zu messen. Mit einem Trick der TU Wi ...

Meldung vom 21.12.2018

Moleküle aus mehreren Blickwinkeln

Lasergetriebene Röntgen-Laborquellen liefern neue Einsichten - Forscher am MBI haben erfolgreich Absorptionss ...

Meldung vom 21.12.2018

Beschreibung rotierender Moleküle leicht gemacht

Interdisziplinäres Wissenschaftlerteam entwickelt neue numerische Technik zur Beschreibung von Molekülen in ...



19.12.2018:
Tanz mit dem Feind
11.12.2018:
Die Kraft des Vakuums
30.11.2018:
Von der Natur lernen
24.11.2018:
Kosmische Schlange


11.05.2018:
Vorsicht, Glatteis!

Newsletter

Neues aus der Forschung